Program kendali sebagai algoritma waktu nyata: loop utama, pewaktu, interupsi, penghitung, tepi sinyal, histeresis, penyaringan, dan mesin keadaan

Sebuah laundry memasang dispenser bahan kimia buatan bengkel kecil untuk mesin cuci lamanya. Dispenser itu menunggu sinyal dari mesin cuci, lalu memompa pelembut selama 45 detik. Setelah beberapa minggu, operator melaporkan dua hal aneh. Kadang-kadang dispenser memberi dua dosis untuk satu bilasan, sehingga pelembut habis lebih cepat dan cucian terasa licin. Dan sesekali, ketika selang bocor saat pompa bekerja, tombol berhenti tidak bereaksi sampai 45 detik selesai.

Teknisi yang memeriksa menemukan dua kesalahan program. Pertama, program memulai dosis setiap kali sinyal terbaca menyala, bukan ketika sinyal berubah dari mati ke menyala; sinyal dari mesin cuci bertahan beberapa detik lebih lama dari dosis yang singkat, sehingga dosis kedua dimulai. Kedua, pewaktu dosis dibuat dengan perintah tunda yang menahan seluruh program, sehingga selama menunggu, program tidak membaca tombol apa pun. Kedua kesalahan itu tidak tampak di gambar rangkaian; keduanya ada di cara program memperlakukan waktu. Bab ini menjelaskan cara program kendali bekerja menurut waktu, supaya gejala seperti itu dapat dikenali dan dijelaskan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas program kendali dari sisi algoritma dan waktu: loop utama, waktu siklus, pewaktu, interupsi, penghitung, tepi sinyal, peredam pantulan, penyaringan, ambang dan histeresis, mesin keadaan dalam program, dan perancangan serta pengujian. Bahasa pemrograman tertentu tidak dibahas. Logika urutan, tabel kebenaran, dan diagram keadaan ada di Bab 7 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang logika urutan dan diagram keadaan. Siklus pindai PLC ada di Bab 63 · Kelistrikan & Kendali tentang relai pintar dan PLC, dan pemrogramannya di Bab 64 · Kelistrikan & Kendali tentang pemrograman PLC menurut IEC 61131-3. Logika kontroler dispenser laundry ada di Bab 3 · Dispensing Kimia tentang kontroler dispenser laundry, papan kendali di Bab 2 tentang papan kendali dan mikrokontroler, dan representasi bilangan serta luapan penghitung di Bab 3 tentang bilangan dan representasi data di perangkat kendali. Mengubah program mesin dari pabrik tidak dibenarkan tanpa izin pabrik dan pemilik mesin.

Program kendali sebagai loop

Program kendali (control program) adalah program yang membaca keadaan mesin dan menyalakan atau mematikan bagian mesin menurut keadaan itu dan menurut waktu. Hampir semua program kendali, di mikrokontroler maupun PLC, berbentuk loop yang berulang terus selama mesin menyala:

1. Baca masukan: keadaan sakelar, tombol, sensor, dan sinyal dari perangkat lain.
2. Putuskan: bandingkan dengan setelan, periksa pewaktu, tentukan langkah berikutnya.
3. Tulis keluaran: nyalakan atau matikan relai, katup, pompa, dan tampilan.
4. Kerjakan tugas lain: komunikasi, pencatatan, pemeriksaan galat.

Waktu siklus (cycle time) adalah waktu satu putaran loop itu, biasanya beberapa milidetik. Siklus pindai PLC di Bab 63 · Kelistrikan & Kendali tentang relai pintar dan PLC adalah bentuk baku dari loop ini. Akibat penting waktu siklus: kejadian yang lebih singkat dari waktu siklus dapat terlewat sama sekali, dan tanggapan program selalu tertunda paling sedikit satu siklus.

Waktu dalam program dan pewaktu tanpa menahan program

Waktu adalah parameter penting dalam sistem tertanam, dan pada akhir selang 2 milidetik dibangkitkan sinyal interupsi. Mikrokontroler mempunyai pewaktu perangkat keras yang menghitung denyut jam secara teratur. Dari pewaktu itu, program mendapat hitungan waktu sejak dinyalakan, misalnya dalam milidetik.

Semua pewaktu dan jadwal dalam program dibangun dari hitungan itu. Karena hitungan itu disimpan dalam jumlah bit terbatas, ia meluap secara berkala, seperti dijelaskan di Bab 3 tentang bilangan dan luapan. Program yang menghitung selang waktu sebagai selisih "sekarang dikurangi saat mulai" dengan bilangan tak bertanda tetap benar melewati luapan; program yang membandingkan "sekarang lebih besar dari saat selesai" dapat gagal tepat saat luapan.

Ada dua cara membuat program menunggu. Cara pertama, perintah tunda, menghentikan seluruh program selama waktu tertentu. Selama itu, tidak ada masukan yang dibaca dan tidak ada keluaran yang diubah. Cara ini sederhana, tetapi berbahaya untuk kendali mesin, seperti pada kasus pembuka.

Cara kedua mencatat saat mulai, lalu pada setiap putaran loop memeriksa apakah selisih waktu sudah melewati lama yang diinginkan. Program terus berputar, membaca tombol, dan memeriksa galat selama menunggu. Nilai prasetel (preset value) adalah lama tunda yang ditetapkan untuk sebuah pewaktu. Sebuah pewaktu, misalnya, mencapai nilai tunda yang ditetapkan oleh nilai prasetel pada akhir 100 milidetik, dan setiap pewaktu memerlukan alamat unik untuk membedakannya dari pewaktu lain. Pewaktu PLC bekerja dengan cara kedua ini. Pewaktu juga dapat dipandang sebagai perangkat yang dapat menyalakan atau mematikan mesin setelah waktu tertentu; dalam program, "perangkat" itu adalah variabel saat mulai, nilai prasetel, dan perbandingan di setiap putaran.

Interupsi

Interupsi (interrupt) adalah penghentian loop utama sebentar untuk menjalankan bagian program khusus ketika terjadi kejadian tertentu. Sumber interupsi ada banyak, misalnya denyut dari sensor aliran, tibanya data komunikasi, atau selang waktu yang tetap dari pewaktu. Setelah bagian itu selesai, loop utama dilanjutkan dari tempat yang ditinggalkan.

Interupsi dipakai untuk kejadian yang lebih cepat dari waktu siklus, seperti denyut meteran aliran yang hanya beberapa milidetik. Aturan yang umum: bagian program interupsi dibuat sesingkat mungkin, biasanya hanya mencatat bahwa kejadian terjadi atau menambah penghitung, dan pekerjaan berat dikerjakan di loop utama. Data yang dipakai bersama interupsi dan loop utama harus dibaca dengan hati-hati, karena interupsi dapat terjadi di tengah pembacaan. Penghitung 16 bit pada mikrokontroler 8 bit, misalnya, dibaca dalam dua langkah; bila interupsi menambahnya di antara kedua langkah itu, nilai yang terbaca dapat meleset sebesar 256 sesekali. Gejala seperti "angka sesekali melompat jauh lalu kembali normal" kadang berasal dari hal ini.

Penghitung dan tepi sinyal

Membaca keadaan sinyal berbeda dengan membaca perubahannya. Tepi naik (rising edge) adalah saat sinyal berubah dari mati ke menyala. Program yang ingin melakukan sesuatu sekali untuk setiap sinyal harus mendeteksi tepi naik. Caranya: simpan keadaan sinyal pada putaran sebelumnya, lalu bandingkan dengan keadaan sekarang. Bila sebelumnya mati dan sekarang menyala, itulah tepi naik.

Penghitung, seperti jumlah siklus mesin, jumlah dosis, atau jumlah denyut meteran, harus dinaikkan pada tepi, tidak pada keadaan. Penghitung yang dinaikkan pada keadaan akan bertambah di setiap putaran loop selama sinyal menyala, sehingga satu sinyal dua detik dengan waktu siklus 5 milidetik terhitung empat ratus kali.

Tepi turun (falling edge) adalah saat sinyal berubah dari menyala ke mati, dan tepi ini sama pentingnya. Banyak urutan mesin menunggu sebuah sinyal lepas sebelum langkah berikutnya, seperti pintu yang harus dibuka lalu ditutup lagi sebelum siklus baru, supaya satu penutupan pintu tidak memulai dua siklus. Program yang hanya melihat tepi naik dan tidak pernah memeriksa bahwa sinyal sudah lepas dapat terjebak pada sinyal yang macet menyala, sehingga perlu batas waktu dan galat untuk keadaan itu.

Peredam pantulan dan penyaringan digital

Kontak mekanis tidak menutup sekali dengan bersih, tetapi memantul beberapa milidetik. Sinyal juga tampak berbeda ketika derau ditambahkan pada sinyal aslinya. Tanpa peredam, pantulan dan derau terbaca sebagai beberapa tepi naik.

Peredam pantulan (debounce) adalah bagian program yang menerima perubahan keadaan hanya bila keadaan baru bertahan selama waktu tertentu, misalnya 20 sampai 50 milidetik. Untuk sinyal analog yang berderau, seperti suhu atau level, dipakai penyaring digital. Bentuk sederhana adalah rata-rata bergerak beberapa pembacaan terakhir, atau penyaring orde satu:

dengan $y$ nilai tersaring, $x$ pembacaan baru, $a$ koefisien penyaring antara 0 dan 1, $\Delta t$ selang pembacaan, dan $\tau$ tetapan waktu penyaring; $\Delta t$ dan $\tau$ ditulis dalam satuan waktu yang sama. Penyaring yang kuat menekan derau tetapi menunda tanggapan; untuk pengaman, penundaan itu harus diperhitungkan.

Ambang dan histeresis

Kendali hidup-mati, seperti pemanas tangki atau pompa pengisi, membandingkan nilai ukur dengan ambang. Bila hanya ada satu ambang, nilai ukur yang berderau di sekitar ambang membuat keluaran menyala dan mati berulang kali dengan cepat, yang merusak kontaktor dan relai. Histeresis (hysteresis) dalam kendali hidup-mati adalah pemakaian dua ambang: keluaran menyala di bawah ambang bawah dan mati di atas ambang atas. Diferensial (differential) adalah selisih kedua ambang itu.

Diferensial yang lebar mengurangi jumlah penyalaan, tetapi membuat nilai terkendali berayun lebih lebar. Diferensial dipilih menurut kemampuan alat penyakelar dan kebutuhan proses, dan sering menjadi parameter yang dapat diatur di menu servis. Prinsip yang sama berlaku pada sakelar tekanan dan termostat mekanis di Bab 58 · Kelistrikan & Kendali tentang kendali pompa, pemanas, dan proses dengan sakelar proses.

Mesin keadaan dalam program

Diagram keadaan di Bab 7 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang logika urutan dan diagram keadaan menggambarkan urutan mesin sebagai keadaan dan peralihan. Mesin keadaan (state machine) dalam program adalah wujud diagram itu dengan satu variabel yang menyimpan keadaan sekarang. Pada setiap putaran loop, program hanya mengerjakan bagian untuk keadaan itu: memeriksa syarat peralihan, dan bila terpenuhi, mengganti keadaan dan menjalankan tindakan masuk keadaan baru, seperti menyalakan katup atau memulai pewaktu.

Cara ini membuat program mudah dibaca dan diuji, karena setiap keadaan dan peralihan dapat diperiksa satu per satu. Cara merancang tertentu membuat rancangan lebih mudah dibangun dan dirawat, dan mesin keadaan adalah salah satu cara itu. Pada salah satu mesin cuci, ketika sakelar getar menutup, pewaktu berhenti, dan program jangan dihentikan bila akan dilanjutkan setelah galat diperbaiki. Keduanya adalah perilaku mesin keadaan: ada keadaan jeda yang menghentikan pewaktu tanpa menghapus langkah program, dan ada jalan kembali ke langkah semula setelah galat dibersihkan.

Merancang, menguji, dan membaca gejala program

Pada tahap perancangan sistem, arsitektur perangkat keras dan perangkat lunak dikembangkan, dan seperti semua proyek yang melibatkan perangkat lunak, jalan menuju keberhasilan ada pada persiapan organisasi dan struktur. Setiap sistem bersifat unik sehingga perangkat lunaknya harus dikembangkan dan diuji untuk setiap pemasangan.

Pengujian program kendali yang baik mencakup:

1. Urutan normal dari awal sampai akhir.
2. Setiap galat: sensor putus, sinyal hilang di tengah langkah, listrik padam dan menyala kembali.
3. Kejadian di batas: sinyal sangat singkat, sinyal sangat panjang, tombol ditekan berulang dengan cepat.
4. Tombol berhenti dan pengaman pada setiap keadaan.
5. Waktu kerja panjang, untuk menangkap luapan penghitung dan kebocoran memori.

Kasus pembuka akan tertangkap pada butir 3 dan 4.

Teknisi servis jarang dapat membaca program mesin, tetapi dapat mengenali pola gejala yang menunjuk program, dan menjelaskannya kepada pabrik dengan cara yang berguna. Tanda-tanda yang umum:

1. Berulang dengan urutan yang sama: gejala selalu muncul setelah langkah tertentu, tombol tertentu, atau gabungan masukan tertentu, walaupun perangkat kerasnya sudah diganti.
2. Bergantung pada waktu: gejala muncul bila dua sinyal datang berdekatan, bila tombol ditekan saat langkah berganti, atau bila sinyal lebih singkat atau lebih panjang dari biasanya.
3. Muncul setelah waktu kerja panjang: gejala hilang setelah mesin dimatikan dan dinyalakan kembali, lalu muncul lagi setelah berhari-hari atau berminggu-minggu.
4. Hilang atau berubah setelah pembaruan program: perilaku berbeda antara dua mesin yang sama tetapi berbeda versi programnya.

Laporan ke pabrik memuat versi program, urutan langkah sebelum gejala, waktu dan lama sinyal bila diketahui, kode galat, dan apakah gejala dapat diulang. Pencatat data dari Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang diagnosis gangguan berselang sering diperlukan untuk menangkap urutan dan waktunya. Laporan seperti itu jauh lebih cepat ditindaklanjuti daripada "mesin kadang error".

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: waktu siklus dan denyut singkat. Loop utama sebuah pengendali membutuhkan 5 ms. Meteran aliran memberi denyut selebar 3 ms. Denyut itu dapat jatuh di antara dua pembacaan dan terlewat. Penghitung denyut dipindah ke interupsi, atau rangkaian masukan diberi penahan denyut, sehingga setiap denyut tercatat. Gejala sebelum perbaikan biasanya berupa volume terhitung yang lebih kecil dari volume sebenarnya, dan selisihnya makin besar ketika aliran deras, karena denyut makin rapat dan makin sering jatuh di antara pembacaan.

Contoh 2: dosis ganda pada kasus pembuka. Sinyal dari mesin cuci menyala 60 s, sedangkan dosis hanya 45 s. Program yang memulai dosis setiap kali sinyal menyala dan pompa tidak bekerja akan memulai dosis kedua pada detik ke-45. Program diperbaiki dengan memulai dosis hanya pada tepi naik, dan dengan keadaan "menunggu sinyal lepas" yang baru kembali ke siaga setelah sinyal mati.

Contoh 3: penyaring orde satu. Pembacaan suhu setiap 0,1 s disaring dengan tetapan waktu 2 s, sehingga $a = 0{,}1/2{,}1 = 0{,}048$. Setelah perubahan mendadak, nilai tersaring mencapai sekitar 63% perubahan dalam 2 s. Untuk pengaman suhu, penundaan ini terlalu lama bila suhu dapat naik cepat; pengaman memakai pembacaan tanpa penyaring kuat, atau pengaman perangkat keras.

Contoh 4: mesin keadaan dispenser. Keadaan: SIAGA, MEMOMPA, MENUNGGU_LEPAS, GALAT. Dari SIAGA ke MEMOMPA pada tepi naik sinyal, dengan tindakan masuk menyalakan pompa dan mencatat saat mulai. Dari MEMOMPA ke MENUNGGU_LEPAS bila 45 s tercapai, dengan pompa dimatikan. Dari MENUNGGU_LEPAS ke SIAGA bila sinyal mati. Dari keadaan mana pun ke GALAT bila tombol berhenti ditekan atau sensor bocor aktif, dengan pompa dimatikan. Setiap peralihan dapat diuji satu per satu.

Contoh 5: jeda dan lanjut. Pada mesin cuci, sakelar getar menutup saat putaran tidak seimbang. Program masuk ke keadaan JEDA: pewaktu langkah berhenti, motor dihentikan, dan nomor langkah disimpan. Setelah muatan diatur ulang dan operator menekan lanjut, program kembali ke langkah yang sama dengan sisa waktunya, tidak memulai dari awal.

Contoh 6: menguji sinyal sangat singkat. Pada pengujian, sinyal pemicu diberikan hanya 20 ms. Dengan peredam 30 ms, sinyal itu diabaikan. Bila mesin cuci memang dapat memberi sinyal sesingkat itu, peredam diperpendek atau sinyal ditahan oleh rangkaian; bila tidak, perilaku itu dicatat sebagai sengaja untuk menolak derau.

Kondisi berhenti

Hentikan pemakaian mesin atau perubahan program dan minta keputusan pabrik atau penyelia bila:

1. Tombol berhenti atau pengaman tidak bereaksi pada salah satu keadaan program.
2. Program mesin dari pabrik akan diubah tanpa izin dan tanpa salinan program asli.
3. Gejala menunjuk dosis ganda, langkah terlewat, atau urutan yang salah pada mesin yang memakai bahan kimia atau panas.
4. Perubahan diferensial, waktu peredam, atau penyaring dapat menunda tanggapan pengaman.
5. Program buatan bengkel dipakai tanpa daftar uji yang tertulis dan hasil ujinya.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 7 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang logika urutan memberi diagram keadaan, Bab 63 · Kelistrikan & Kendali tentang relai pintar dan PLC memberi siklus pindai, dan Bab 64 · Kelistrikan & Kendali memberi pemrograman PLC menurut IEC 61131-3. Bab 3 · Dispensing Kimia menjelaskan logika kontroler dispenser laundry, Bab 2 papan kendali dan mikrokontroler, Bab 3 luapan penghitung, dan Bab 58 · Kelistrikan & Kendali kendali dengan sakelar proses dan diferensialnya. Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang gangguan berselang memberi cara menangkap urutan dan waktu gejala dengan pencatat data. Bab 5, bab berikutnya di rak ini, membahas komunikasi data antarperangkat lapangan.

Latihan dan pembahasan